Учебно-методический комплекс дисциплины «Основы биотехнологии» (стр. 13 )

Обычно же при фильтрации микроорганизмов используют  фильтры, размер пор которых больше размера микроорганизмов.

В этом случае фильтрация происходит через слой осадка (рис. 13.5).

Сначала клетки микроорганизмов могут «проскакивать» через поры ткани. Затем на поверхности образуется слой осадка, и фактически фильтрование идет через него. По мере фильтрации все время возрастает толщина слоя осадка.

В ходе фильтрования возрастает объем жидкости, прошедшей через фильтр, скорость фильтрации падает. 

Из уравнения видно, что скорость фильтрации можно увеличить путем повышения перепада давления. Однако для биологических суспензий это не так. Дело в том, что рыхлая структура слоя осадка даже при незначительном превышении оптимального перепада давления нарушается и образуется плотная «лепешка», плохо пропускающая жидкость. Такие системы называются системами со сжимаемым осадком. Важно удержаться от соблазна поднять давление: кратковременное повышение произ-водительности фильтра, достигнутое благодаря увеличению разности давлений, обычно сопровождается последующим катастрофическим падением производительности.

Для улучшения скорости фильтрации в биотехнологии часто используют фильтровалъные порошки для организации  ф и л ь т рования  через  намывной  слой  порошка (рис. 13.6).

Частицы порошка (кизельгур, перлит, диатомит) имеют размеры больше клеток микроорганизмов, но после «намывки» создают объемный слой с системой пор. Суспензия, проходя через этот слой, оставляет биомассу микроорганизмов на частицах порошка.

Коэффициент сопротивления осадка при этом снижается в десятки раз, что позволяет фильтровать труднофильтруемые жидкости.

Барабанные вакуум-фильтры. В них непрерывно осуществляется снятие внешнего тонкого намывного слоя с осевшим осадком, что постоянно обновляет фильтровальную поверхность.

Лучше всего для работы с намывным слоем подходит барабанный вакуум-фильтр, в котором непрерывно проходят последовательные операции фильтрации, подсушки, промывки и отделения осадка, а также регенерации ткани и намывного слоя осадка.

Каки при отстаивании, обработка жидкости  перед фильтрацией  повышает скорость фильтрации. В биотехнологии  используют  следуюшие способы обработки:

тепловая коагуляция (нагрев жидкости с частичной инактивацией целевого продукта);

кислая коагуляция (подкисление жидкости, что так же часто неблагоприятно влияет на целевой продукт  и вызывает  его потери);

реагентная коагуляция (солями железа, алюминия);

флокуляция (полиэлектролитами);

добавление наполнителей (порошков, образующих зерна, или ионов, образующих нерастворимые осадки с веществами, раство-ренными в суспензии).

Назовем преимущества и недостатки фильтрации через намывной слой порошка по сравнению с отстаиванием или сепарацией.

Преимущества. С помощью фильтрации получают более обезвоженные осадки (20—40 % по сухой массе), чем при отстаивании или сепарации.

Недостатки. Проблематично использовать фильтрацию с намывным слоем, если целевым продуктом является сама биомасса или внутриклеточные продукты из нее. Даже если целевой продукт находится в фильтрате, возникает проблема утилизации за-грязненного биомассой порошка. Скармливать животным перлит, диатомит нежелательно. Регенерировать порошки отжигом био-массы в печах можно, но это энергоемко и при этом часто нарушаются фильтровальные свойства порошков. Если использовать более мягкие порошки (отруби, древесную муку), то осадок с био-массой можно использовать как корм. Однако эти порошки имеют худшие фильтровальные свойства.

Осветляющие фильтры. Эта модификация служит для отделения твердой фазы (мути) от суспензий, содержащих малое количество твердых частиц. Но и это малое количество в готовом продукте или полупродукте иметь нежелательно.

Мы ранее уже говорили о ситовых фильтрах (размеры пор меньше размеров твердых частиц). Вот такие фильтры здесь чаще всего и применяются — другие не работают: слишком долго приходится ждать, когда твердые частицы образуют слой осадка. Обычно используют пластинчатые фильтры: микрофильтрационные, если размеры частиц 0,1-10 мкм, ультрафильтрационные, если размеры частиц 10—100 нм.

Мы уже упоми?али о недостатках обычного способа ситовой фильтрации, при которой направление потока жидкости перпендикулярно фильтровальной перегородке (или совпадает с направлением фильтрации) (см. рис. 13.4). В этом случае довольно быстро происходит забивание пор перегородки твердыми частицами осадка, и скорость фильтрации сначала уменьшается, а затем фильтрация и вовсе прекращается. Регенерация забитых мембран довольно сложна.

Этих недостатков лишены фильтры, в которых направление потока жидкости параллельно фильтровальной перегородке (перпендикулярно направлению фильтрации) (рис. 13.7). В этом случае значительно снижается опасность забивания пор фильтровальной перегородки.  ,-Г

Скорость потока жидкости в первом варианте равна скорости фильтрации. Во втором же варианте скорость потока суспензии значительно больше скорости потока фильтрата. Технически это требует создания контура циркуляцш суспензш.

Такой прием позволяет повышать концентрацию микроорганизмов до 10 % и при этом продолжать микрофильтрацию.

Конструкции и материалы, из которых изготовлены подобного рода фильтры, могут быть различными, но для промышленности наиболее привлекательны метамокерамические. Они регенерируются обратным потоком фильтрата (подачей давления в обратном направлении к перегородке) и позволяют проводить тепловую стерилизацию.

5. ФЛОТАЦИЯ

Флотация — это выделение клеток микроорганизмов из культуральной жидкости за счет адгезии (прилипания) микроорганизмов к поднимающимся в жидкости пузырькам воздуха и затем сбора пены и ее конденсации (коалесценции). Обычно чем меньше пу-зыри, тем медленнее они поднимаются и тем больше время пре-бывания^их в жидкости и вероятность захвата клеток микроорганизмов.

На рис. 13.8 представлен один из вариантов конструкции флотатора.

Флотатор представляет собой две коаксиально расположенные цилиндрические обечайки, кольцевой канал между которыми заполняется флотируемой суспензией. В этот канал снизу подается

через специальный диспертатор сжатый воздух, при этом образуется большое количество мелких пузырей. Пузыри всплывают, захватывая по пути клетки микроорганизмов. Далее пена переваливается через край внутреннего цилиндра и отстаивается в кольцевом зазоре внешнего. При этом пузыри разрушаются. Флотат — обогащенная по биомассе жидкость.

Измерения показали, что для хорошо флотирующихся клеток концентрация клеток в пене в 5—7 раз превышает их концентраию в исходной суспензии.

Для оценки производительности флотатора важно знать время отстоя пены, а оно зависит от множества физико-химических факторов. При этом в обедненной жидкости после ее отвода из аппарата остается 5—8 % общего количества биомассы микроорга-низмов, что является потерями.

Во время отстоя пены происходит ее осушение: жидкость по стенкам пузырьков стекает вниз, а биомасса остается в осушенной пене.

Размеры клеток флотируемой жидкости — до 10 мкм.

Для облегчения флотации в суспензию добавляют флотореаген-ты — длинноцепочечные жирные кислоты и амины.

Для обычной флотации размеры пузырей составляют 100 мкм и выше.

Такая флотация называется пневматической, или барботажной.

Важной модификацией процесса флотации является напорная флотация. Сущность ее состоит в том, что жидкость сначала насыщается газом (обычно воздухом) под давлением (до 5 атм), после чего происходит резкий сброс давления. В результате появляются мелкие пузырьки воздуха, которые и оказывают флотационное действие. При этом размеры пузырьков меньше — около 40 мкм, что облегчает флотацию.

Размеры пузырьков получаются различными, если использо-вать для насыщения углекислый газ или смесь углекислого газа с воздухом. За счет более высокой растворимости углекислоты насыщение происходит быстрее, а сами пузырьки больше по размеру. Большие пузырьки полезны, когда необходимо «поднимать» относительно крупные частицы, такие, как хлопья активного ила.

Не всегда удобно при напорной флотации насыщать газом саму суспензию. В установках очистки стоков, например, используют вспомогательную флотационную жидкость (воду, или это может быть очищенный от твердых частиц возвратный поток). Эта вспомогательная жидкость насыщается под давлением газом, а затем вводится под слой очищаемой жидкости. Растворенный газ пере-ходит в пузырьки, которые и выполняют флотационные задачи.

Электрофлотация — модификация процесса флотации, в кото-ром пузырьки создаются за счет электролиза. Образующиеся пузырьки водорода или кислорода имеют размер до 30 мкм, а пена обогащается флотируемой биомассой в 15—20 раз больше по сравнению с исходной суспензией. Недостатком такой системы является возможность вредного воздействия электрического тока на клетки микроорганизмов. 

Вопросы для повторения

1. Назовите границы использования различных методов разделения суспензий по размеру частиц.

2.  В чем состоят особенности методов отстаивания для отделения биомассы микроорганизмов?

3. Что такое иловый индекс?

4. Чем отличается коагуляция от флокуляции?

5.  Какую роль играют процессы коагуляции и флокуляции при отделении биомассы микроорганизмов от культуральной жидкости?

6.  Как определяется сепарируемость культуральных жидкостей?

7.  Какова движущая сила процессов сепарирования и цеитрифугирования биомассы микроорганизмов?

8.  По какому показателю сравнивают между собой сепараторы и центрифуги?

9.  Поясните различие между ситовым и объемным принципами фильтрации суспензий.

10.  В чем суть фильтрации с намывным слоем фильтровального порошка?